作者 | 率鴿

責編 | 胡雪蕊

之(zhī)前上(shàng)學的(de)時(shí)候有這(zhè)個(gè)一個(gè)梗，說(shuō)在(zài)食堂裏吃飯，吃完把餐盤端走清理的(de)，是(shì) C++ 程序員，吃完直接就(jiù)走的(de)，是(shì) Java 程序員。?

确實，在(zài) Java 的(de)世界裏，似乎我們不(bù)用對垃圾回收那麽的(de)專注，很多初學者不(bù)懂 GC，也(yě)依然能寫出(chū)一個(gè)能用甚至還不(bù)錯的(de)程序或系統。但其實這(zhè)并不(bù)代表 Java 的(de) GC 就(jiù)不(bù)重要(yào / yāo)。相反，它是(shì)那麽的(de)重要(yào / yāo)和(hé / huò)複雜，以(yǐ)至于(yú)出(chū)了(le／liǎo)問題，那些初學者除了(le／liǎo)打開 GC 日志，看着一堆0101的(de)天文，啥也(yě)做不(bù)了(le／liǎo)。?

今天我們就(jiù)從頭到(dào)尾完整地(dì / de)聊一聊 Java 的(de)垃圾回收。

什麽是(shì)垃圾回收

垃圾回收（Garbage Collection，GC），顧名思義就(jiù)是(shì)釋放垃圾占用的(de)空間，防止内存洩露。有效的(de)使用可以(yǐ)使用的(de)内存，對内存堆中已經死亡的(de)或者長時(shí)間沒有使用的(de)對象進行清除和(hé / huò)回收。

Java 語言出(chū)來(lái)之(zhī)前，大(dà)家都在(zài)拼命的(de)寫 C 或者 C++ 的(de)程序，而(ér)此時(shí)存在(zài)一個(gè)很大(dà)的(de)矛盾，C++ 等語言創建對象要(yào / yāo)不(bù)斷的(de)去開辟空間，不(bù)用的(de)時(shí)候又需要(yào / yāo)不(bù)斷的(de)去釋放控件，既要(yào / yāo)寫構造函數，又要(yào / yāo)寫析構函數，很多時(shí)候都在(zài)重複的(de) allocated，然後不(bù)停的(de)析構。于(yú)是(shì)，有人(rén)就(jiù)提出(chū)，能不(bù)能寫一段程序實現這(zhè)塊功能，每次創建，釋放控件的(de)時(shí)候複用這(zhè)段代碼，而(ér)無需重複的(de)書寫呢？

1960年，基于(yú) MIT 的(de) Lisp 首先提出(chū)了(le／liǎo)垃圾回收的(de)概念，而(ér)這(zhè)時(shí) Java 還沒有出(chū)世呢！所以(yǐ)實際上(shàng) GC 并不(bù)是(shì)Java的(de)專利，GC 的(de)曆史遠遠大(dà)于(yú) Java 的(de)曆史！

怎麽定義垃圾

既然我們要(yào / yāo)做垃圾回收，首先我們得搞清楚垃圾的(de)定義是(shì)什麽，哪些内存是(shì)需要(yào / yāo)回收的(de)。

引用計數算法

引用計數算法（Reachability Counting）是(shì)通過在(zài)對象頭中分配一個(gè)空間來(lái)保存該對象被引用的(de)次數（Reference Count）。如果該對象被其它對象引用，則它的(de)引用計數加1，如果删除對該對象的(de)引用，那麽它的(de)引用計數就(jiù)減1，當該對象的(de)引用計數爲(wéi / wèi)0時(shí)，那麽該對象就(jiù)會被回收。

先創建一個(gè)字符串，這(zhè)時(shí)候"jack"有一個(gè)引用，就(jiù)是(shì) m。

然後将 m 設置爲(wéi / wèi) null，這(zhè)時(shí)候"jack"的(de)引用次數就(jiù)等于(yú)0了(le／liǎo)，在(zài)引用計數算法中，意味着這(zhè)塊内容就(jiù)需要(yào / yāo)被回收了(le／liǎo)。

引用計數算法是(shì)将垃圾回收分攤到(dào)整個(gè)應用程序的(de)運行當中了(le／liǎo)，而(ér)不(bù)是(shì)在(zài)進行垃圾收集時(shí)，要(yào / yāo)挂起整個(gè)應用的(de)運行，直到(dào)對堆中所有對象的(de)處理都結束。因此，采用引用計數的(de)垃圾收集不(bù)屬于(yú)嚴格意義上(shàng)的(de)"Stop-The-World"的(de)垃圾收集機制。

看似很美好，但我們知道(dào)JVM的(de)垃圾回收就(jiù)是(shì)"Stop-The-World"的(de)，那是(shì)什麽原因導緻我們最終放棄了(le／liǎo)引用計數算法呢？看下面的(de)例子(zǐ)。

1. 定義2個(gè)對象

2. 相互引用
3. 置空各自的(de)聲明引用

我們可以(yǐ)看到(dào)，最後這(zhè)2個(gè)對象已經不(bù)可能再被訪問了(le／liǎo)，但由于(yú)他(tā)們相互引用着對方，導緻它們的(de)引用計數永遠都不(bù)會爲(wéi / wèi)0，通過引用計數算法，也(yě)就(jiù)永遠無法通知GC收集器回收它們。

可達性分析算法

可達性分析算法（Reachability Analysis）的(de)基本思路是(shì)，通過一些被稱爲(wéi / wèi)引用鏈（GC Roots）的(de)對象作爲(wéi / wèi)起點，從這(zhè)些節點開始向下搜索，搜索走過的(de)路徑被稱爲(wéi / wèi)（Reference Chain)，當一個(gè)對象到(dào) GC Roots 沒有任何引用鏈相連時(shí)（即從 GC Roots 節點到(dào)該節點不(bù)可達），則證明該對象是(shì)不(bù)可用的(de)。

通過可達性算法，成功解決了(le／liǎo)引用計數所無法解決的(de)問題-“循環依賴”，隻要(yào / yāo)你無法與 GC Root 建立直接或間接的(de)連接，系統就(jiù)會判定你爲(wéi / wèi)可回收對象。那這(zhè)樣就(jiù)引申出(chū)了(le／liǎo)另一個(gè)問題，哪些屬于(yú) GC Root。

Java 内存區域

在(zài) Java 語言中，可作爲(wéi / wèi) GC Root 的(de)對象包括以(yǐ)下4種：

• 虛拟機棧（棧幀中的(de)本地(dì / de)變量表）中引用的(de)對象

• 方法區中類靜态屬性引用的(de)對象

• 方法區中常量引用的(de)對象

• 本地(dì / de)方法棧中 JNI（即一般說(shuō)的(de) Native 方法）引用的(de)對象

虛拟機棧（棧幀中的(de)本地(dì / de)變量表）中引用的(de)對象

此時(shí)的(de) s，即爲(wéi / wèi) GC Root，當s置空時(shí)，localParameter 對象也(yě)斷掉了(le／liǎo)與 GC Root 的(de)引用鏈，将被回收。

方法區中類靜态屬性引用的(de)對象

s 爲(wéi / wèi) GC Root，s 置爲(wéi / wèi) null，經過 GC 後，s 所指向的(de) properties 對象由于(yú)無法與 GC Root 建立關系被回收。

而(ér) m 作爲(wéi / wèi)類的(de)靜态屬性，也(yě)屬于(yú) GC Root，parameter 對象依然與 GC root 建立着連接，所以(yǐ)此時(shí) parameter 對象并不(bù)會被回收。

方法區中常量引用的(de)對象

m 即爲(wéi / wèi)方法區中的(de)常量引用，也(yě)爲(wéi / wèi) GC Root，s 置爲(wéi / wèi) null 後，final 對象也(yě)不(bù)會因沒有與 GC Root 建立聯系而(ér)被回收。

本地(dì / de)方法棧中引用的(de)對象

任何 Native 接口都會使用某種本地(dì / de)方法棧，實現的(de)本地(dì / de)方法接口是(shì)使用 C 連接模型的(de)話，那麽它的(de)本地(dì / de)方法棧就(jiù)是(shì) C 棧。當線程調用 Java 方法時(shí)，虛拟機會創建一個(gè)新的(de)棧幀并壓入 Java 棧。然而(ér)當它調用的(de)是(shì)本地(dì / de)方法時(shí)，虛拟機會保持 Java 棧不(bù)變，不(bù)再在(zài)線程的(de) Java 棧中壓入新的(de)幀，虛拟機隻是(shì)簡單地(dì / de)動态連接并直接調用指定的(de)本地(dì / de)方法。

怎麽回收垃圾

在(zài)确定了(le／liǎo)哪些垃圾可以(yǐ)被回收後，垃圾收集器要(yào / yāo)做的(de)事情就(jiù)是(shì)開始進行垃圾回收，但是(shì)這(zhè)裏面涉及到(dào)一個(gè)問題是(shì)：如何高效地(dì / de)進行垃圾回收。由于(yú)Java虛拟機規範并沒有對如何實現垃圾收集器做出(chū)明确的(de)規定，因此各個(gè)廠商的(de)虛拟機可以(yǐ)采用不(bù)同的(de)方式來(lái)實現垃圾收集器，這(zhè)裏我們讨論幾種常見的(de)垃圾收集算法的(de)核心思想。

标記 --- 清除算法

标記清除算法（Mark-Sweep）是(shì)最基礎的(de)一種垃圾回收算法，它分爲(wéi / wèi)2部分，先把内存區域中的(de)這(zhè)些對象進行标記，哪些屬于(yú)可回收标記出(chū)來(lái)，然後把這(zhè)些垃圾拎出(chū)來(lái)清理掉。就(jiù)像上(shàng)圖一樣，清理掉的(de)垃圾就(jiù)變成未使用的(de)内存區域，等待被再次使用。

這(zhè)邏輯再清晰不(bù)過了(le／liǎo)，并且也(yě)很好操作，但它存在(zài)一個(gè)很大(dà)的(de)問題，那就(jiù)是(shì)内存碎片。

上(shàng)圖中等方塊的(de)假設是(shì) 2M，小一些的(de)是(shì) 1M，大(dà)一些的(de)是(shì) 4M。等我們回收完，内存就(jiù)會切成了(le／liǎo)很多段。我們知道(dào)開辟内存空間時(shí)，需要(yào / yāo)的(de)是(shì)連續的(de)内存區域，這(zhè)時(shí)候我們需要(yào / yāo)一個(gè) 2M的(de)内存區域，其中有2個(gè) 1M 是(shì)沒法用的(de)。這(zhè)樣就(jiù)導緻，其實我們本身還有這(zhè)麽多的(de)内存的(de)，但卻用不(bù)了(le／liǎo)。

複制算法

複制算法（Copying）是(shì)在(zài)标記清除算法上(shàng)演化而(ér)來(lái)，解決标記清除算法的(de)内存碎片問題。它将可用内存按容量劃分爲(wéi / wèi)大(dà)小相等的(de)兩塊，每次隻使用其中的(de)一塊。當這(zhè)一塊的(de)内存用完了(le／liǎo)，就(jiù)将還存活着的(de)對象複制到(dào)另外一塊上(shàng)面，然後再把已使用過的(de)内存空間一次清理掉。保證了(le／liǎo)内存的(de)連續可用，内存分配時(shí)也(yě)就(jiù)不(bù)用考慮内存碎片等複雜情況，邏輯清晰，運行高效。

上(shàng)面的(de)圖很清楚，也(yě)很明顯的(de)暴露了(le／liǎo)另一個(gè)問題，合着我這(zhè)140平的(de)大(dà)三房，隻能當70平米的(de)小兩房來(lái)使？代價實在(zài)太高。

标記整理算法

标記整理算法（Mark-Compact）标記過程仍然與标記 --- 清除算法一樣，但後續步驟不(bù)是(shì)直接對可回收對象進行清理，而(ér)是(shì)讓所有存活的(de)對象都向一端移動，再清理掉端邊界以(yǐ)外的(de)内存區域。

标記整理算法一方面在(zài)标記-清除算法上(shàng)做了(le／liǎo)升級，解決了(le／liǎo)内存碎片的(de)問題，也(yě)規避了(le／liǎo)複制算法隻能利用一半内存區域的(de)弊端。看起來(lái)很美好，但從上(shàng)圖可以(yǐ)看到(dào)，它對内存變動更頻繁，需要(yào / yāo)整理所有存活對象的(de)引用地(dì / de)址，在(zài)效率上(shàng)比複制算法要(yào / yāo)差很多。

分代收集算法分代收集算法（Generational Collection）嚴格來(lái)說(shuō)并不(bù)是(shì)一種思想或理論，而(ér)是(shì)融合上(shàng)述3種基礎的(de)算法思想，而(ér)産生的(de)針對不(bù)同情況所采用不(bù)同算法的(de)一套組合拳。對象存活周期的(de)不(bù)同将内存劃分爲(wéi / wèi)幾塊。一般是(shì)把 Java 堆分爲(wéi / wèi)新生代和(hé / huò)老年代，這(zhè)樣就(jiù)可以(yǐ)根據各個(gè)年代的(de)特點采用最适當的(de)收集算法。在(zài)新生代中，每次垃圾收集時(shí)都發現有大(dà)批對象死去，隻有少量存活，那就(jiù)選用複制算法，隻需要(yào / yāo)付出(chū)少量存活對象的(de)複制成本就(jiù)可以(yǐ)完成收集。而(ér)老年代中因爲(wéi / wèi)對象存活率高、沒有額外空間對它進行分配擔保，就(jiù)必須使用标記-清理或者标記 --- 整理算法來(lái)進行回收。so，另一個(gè)問題來(lái)了(le／liǎo)，那内存區域到(dào)底被分爲(wéi / wèi)哪幾塊，每一塊又有什麽特别适合什麽算法呢？

内存模型與回收策略

Java 堆（Java Heap）是(shì)JVM所管理的(de)内存中最大(dà)的(de)一塊，堆又是(shì)垃圾收集器管理的(de)主要(yào / yāo)區域，這(zhè)裏我們主要(yào / yāo)分析一下 Java 堆的(de)結構。

Java 堆主要(yào / yāo)分爲(wéi / wèi)2個(gè)區域-年輕代與老年代，其中年輕代又分 Eden 區和(hé / huò) Survivor 區，其中 Survivor 區又分 From 和(hé / huò) To 2個(gè)區。可能這(zhè)時(shí)候大(dà)家會有疑問，爲(wéi / wèi)什麽需要(yào / yāo) Survivor 區，爲(wéi / wèi)什麽Survivor 還要(yào / yāo)分2個(gè)區。不(bù)着急，我們從頭到(dào)尾，看看對象到(dào)底是(shì)怎麽來(lái)的(de)，而(ér)它又是(shì)怎麽沒的(de)。

Eden 區

IBM 公司的(de)專業研究表明，有将近98%的(de)對象是(shì)朝生夕死，所以(yǐ)針對這(zhè)一現狀，大(dà)多數情況下，對象會在(zài)新生代 Eden 區中進行分配，當 Eden 區沒有足夠空間進行分配時(shí)，虛拟機會發起一次 Minor GC，Minor GC 相比 Major GC 更頻繁，回收速度也(yě)更快。

通過 Minor GC 之(zhī)後，Eden 會被清空，Eden 區中絕大(dà)部分對象會被回收，而(ér)那些無需回收的(de)存活對象，将會進到(dào) Survivor 的(de) From 區（若 From 區不(bù)夠，則直接進入 Old 區）。

Survivor 區

Survivor 區相當于(yú)是(shì) Eden 區和(hé / huò) Old 區的(de)一個(gè)緩沖，類似于(yú)我們交通燈中的(de)黃燈。Survivor 又分爲(wéi / wèi)2個(gè)區，一個(gè)是(shì) From 區，一個(gè)是(shì) To 區。每次執行 Minor GC，會将 Eden 區和(hé / huò) From 存活的(de)對象放到(dào) Survivor 的(de) To 區（如果 To 區不(bù)夠，則直接進入 Old 區）。

爲(wéi / wèi)啥需要(yào / yāo)？

不(bù)就(jiù)是(shì)新生代到(dào)老年代麽，直接 Eden 到(dào) Old 不(bù)好了(le／liǎo)嗎，爲(wéi / wèi)啥要(yào / yāo)這(zhè)麽複雜。想想如果沒有 Survivor 區，Eden 區每進行一次 Minor GC，存活的(de)對象就(jiù)會被送到(dào)老年代，老年代很快就(jiù)會被填滿。而(ér)有很多對象雖然一次 Minor GC 沒有消滅，但其實也(yě)并不(bù)會蹦跶多久，或許第二次，第三次就(jiù)需要(yào / yāo)被清除。這(zhè)時(shí)候移入老年區，很明顯不(bù)是(shì)一個(gè)明智的(de)決定。

所以(yǐ)，Survivor 的(de)存在(zài)意義就(jiù)是(shì)減少被送到(dào)老年代的(de)對象，進而(ér)減少 Major GC 的(de)發生。Survivor 的(de)預篩選保證，隻有經曆16次 Minor GC 還能在(zài)新生代中存活的(de)對象，才會被送到(dào)老年代。

爲(wéi / wèi)啥需要(yào / yāo)倆？

設置兩個(gè) Survivor 區最大(dà)的(de)好處就(jiù)是(shì)解決内存碎片化。

我們先假設一下，Survivor 如果隻有一個(gè)區域會怎樣。Minor GC 執行後，Eden 區被清空了(le／liǎo)，存活的(de)對象放到(dào)了(le／liǎo) Survivor 區，而(ér)之(zhī)前 Survivor 區中的(de)對象，可能也(yě)有一些是(shì)需要(yào / yāo)被清除的(de)。問題來(lái)了(le／liǎo)，這(zhè)時(shí)候我們怎麽清除它們？在(zài)這(zhè)種場景下，我們隻能标記清除，而(ér)我們知道(dào)标記清除最大(dà)的(de)問題就(jiù)是(shì)内存碎片，在(zài)新生代這(zhè)種經常會消亡的(de)區域，采用标記清除必然會讓内存産生嚴重的(de)碎片化。因爲(wéi / wèi) Survivor 有2個(gè)區域，所以(yǐ)每次 Minor GC，會将之(zhī)前 Eden 區和(hé / huò) From 區中的(de)存活對象複制到(dào) To 區域。第二次 Minor GC 時(shí)，From 與 To 職責兌換，這(zhè)時(shí)候會将 Eden 區和(hé / huò) To 區中的(de)存活對象再複制到(dào) From 區域，以(yǐ)此反複。

這(zhè)種機制最大(dà)的(de)好處就(jiù)是(shì)，整個(gè)過程中，永遠有一個(gè) Survivor space 是(shì)空的(de)，另一個(gè)非空的(de) Survivor space 是(shì)無碎片的(de)。那麽，Survivor 爲(wéi / wèi)什麽不(bù)分更多塊呢？比方說(shuō)分成三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)?顯然，如果 Survivor 區再細分下去，每一塊的(de)空間就(jiù)會比較小，容易導緻 Survivor 區滿，兩塊 Survivor 區可能是(shì)經過權衡之(zhī)後的(de)最佳方案。

Old 區

老年代占據着2/3的(de)堆内存空間，隻有在(zài) Major GC 的(de)時(shí)候才會進行清理，每次 GC 都會觸發“Stop-The-World”。内存越大(dà)，STW 的(de)時(shí)間也(yě)越長，所以(yǐ)内存也(yě)不(bù)僅僅是(shì)越大(dà)就(jiù)越好。由于(yú)複制算法在(zài)對象存活率較高的(de)老年代會進行很多次的(de)複制操作，效率很低，所以(yǐ)老年代這(zhè)裏采用的(de)是(shì)标記 --- 整理算法。

除了(le／liǎo)上(shàng)述所說(shuō)，在(zài)内存擔保機制下，無法安置的(de)對象會直接進到(dào)老年代，以(yǐ)下幾種情況也(yě)會進入老年代。

大(dà)對象

大(dà)對象指需要(yào / yāo)大(dà)量連續内存空間的(de)對象，這(zhè)部分對象不(bù)管是(shì)不(bù)是(shì)“朝生夕死”，都會直接進到(dào)老年代。這(zhè)樣做主要(yào / yāo)是(shì)爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)避免在(zài) Eden 區及2個(gè) Survivor 區之(zhī)間發生大(dà)量的(de)内存複制。當你的(de)系統有非常多“朝生夕死”的(de)大(dà)對象時(shí)，得注意了(le／liǎo)。

長期存活對象

虛拟機給每個(gè)對象定義了(le／liǎo)一個(gè)對象年齡（Age）計數器。正常情況下對象會不(bù)斷的(de)在(zài) Survivor 的(de) From 區與 To 區之(zhī)間移動，對象在(zài) Survivor 區中每經曆一次 Minor GC，年齡就(jiù)增加1歲。當年齡增加到(dào)15歲時(shí)，這(zhè)時(shí)候就(jiù)會被轉移到(dào)老年代。當然，這(zhè)裏的(de)15，JVM 也(yě)支持進行特殊設置。

動态對象年齡

虛拟機并不(bù)重視要(yào / yāo)求對象年齡必須到(dào)15歲，才會放入老年區，如果 Survivor 空間中相同年齡所有對象大(dà)小的(de)總合大(dà)于(yú) Survivor 空間的(de)一半，年齡大(dà)于(yú)等于(yú)該年齡的(de)對象就(jiù)可以(yǐ)直接進去老年區，無需等你“成年”。

這(zhè)其實有點類似于(yú)負載均衡，輪詢是(shì)負載均衡的(de)一種，保證每台機器都分得同樣的(de)請求。看似很均衡，但每台機的(de)硬件不(bù)通，健康狀況不(bù)同，我們還可以(yǐ)基于(yú)每台機接受的(de)請求數，或每台機的(de)響應時(shí)間等，來(lái)調整我們的(de)負載均衡算法。

作者簡介：聶小龍（花名：率鴿），阿裏巴巴高級開發工程師。本文系作者投稿，版權歸作者所有。

2019年人(rén)工智能系統學：

https://edu.csdn.net/topic/ai30?utm_source=csdn_bw

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